CN108666756B - 一种应用于gnss的低剖面宽带定向缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，包括CPW馈电单元、接地单元、第一介质基板、第二介质基板、反射单元；第一、二介质基板平行设置；接地单元为第一介质基板的带缺口的导电矩形环，导电矩形环内设有矩形辐射体；矩形环与环内的多个微扰枝节短接；第一、第二L形枝节均与矩形环短接；第一矩形短枝节与第二矩形短枝节连接为第一凹字形组合体；第四矩形短枝节与第五矩形短枝节连接为第二凹字形组合体；第一、二凹字形组合体的底边分别与矩形环的两侧边相连；第三矩形短枝节同时与矩形环上边和第二L形枝节相连；所述反射单元覆于第二介质基板下表面；本产品能覆盖北斗一代L频段，性能良好、尺寸小巧，适合应用在导航终端设备中。

Description

一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线。
背景技术
中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
天线是卫星导航系统中的重要组件之一，在信息传递中发挥不可替代的作用。目前在终端产品的设计应用中不仅要求天线具有宽波束、圆极化以及良好的低仰角增益，还需要天线的尺寸尽可能小，易于集成在系统中。在卫星导航中广泛使用的天线主要有微带天线和四臂螺旋天线，四臂螺旋天线具有宽波束以及圆极化效果好等特点但难以集成，而微带天线中的环形天线具有二维小型化的特性，满足导航终端设备的便携性需求，同时剖面低，易于载体共形，适于批量生产，在导航、民用、军用等等方面都能得到广泛应用。因此对于小型化环形天线的研究在GPS导航系统中有广阔的应用前景。
发明内容
本发明提出一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，能覆盖北斗一代L频段，性能良好、尺寸小巧，适合应用在导航终端设备中。
本发明采用以下技术方案。
一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，所述天线包括CPW馈电单元、接地单元、第一介质基板、第二介质基板、反射单元；所述第一、二介质基板平行设置；所述接地单元为覆于第一介质基板上表面的带缺口的导电矩形环，所述缺口位于导电矩形环下边的中部；导电矩形环内的介质基板表面设有CPW馈电单元，所述CPW馈电单元包括符合阻抗匹配标准的矩形辐射体；矩形辐射体始端位于导电矩形环缺口处且与信号线相连；矩形辐射体末端位于矩形环中部区域。
导电矩形环与环内的微扰枝节短接；所述微扰枝节包括矩形环第一矩形短枝节、第二矩形短枝节、第三矩形短枝节、第四矩形短枝节、第五矩形短枝节、左下角的第一L形枝节、矩形环右上角的第二L形枝节；第一L形枝节、第二L形枝节的L形两边均与矩形环短接；第一矩形短枝节与第二矩形短枝节连接为位于第一L形枝节上方的第一凹字形组合体；第四矩形短枝节与第五矩形短枝节连接为位于第二L形枝节下方的第二凹字形组合体；第一、二凹字形组合体的底边分别与矩形环的两侧边相连；第三矩形短枝节同时与矩形环上边和第二L形枝节相连。
所述反射单元覆于第二介质基板下表面，反射单元包括矩形反射环和环内的矩形反射贴片；矩形反射环与矩形反射贴片间设有环形缝隙；矩形反射环下边连有一垂直于反射环下边的矩形槽。
所述矩形辐射体与导电矩形环缺口间形成两条等长等宽的CPW馈电缝隙。
第一介质基板、第二介质基板均以环氧树脂板成型。
所述信号线与同轴探针相连，信号线由同轴探针进行馈电。
第一介质基板、第二介质基板之间设有空气层。
所述矩形反射环以导电材料成型，矩形反射环在反射单元内形成首尾闭合的电感线圈结构；当矩形辐射体发射天线信号时，其电磁辐射在矩形反射环内形成感应电流，所述感应电流产生衍生电磁波。
所述天线为定向天线，所述反射单元与CPW馈电单元之间的间隔针对天线工作波长优化，当矩形辐射体发射天线信号时，矩形反射环衍生电磁波在天线发射方向上与天线信号电波相位一致且形成同相叠加，矩形反射环衍生电磁波在天线发射的反方向上与天线信号电波相位相反且形成反相抵消。
所述反射单元以矩形反射环衍生电磁波强化CPW馈电单元天线信号的定向性，并使反射单元与CPW馈电单元之间的间隔可采用更小距离，或是使矩形反射贴片可采用更小尺寸的贴片。
本发明中，天线结构含两层导体，上层为天线主体部分，下层为反射板，下层的作用可以实现天线的定向辐射。两层导体分别印制在两层FR4介质板上，两层介质板间是空气层；籍由上层导体天线的结构设计，可以实现天线宽阻抗带宽和宽轴比带宽，而通过下层导体接地板的结构设计，可以实现在定向辐射的同时，制作出低剖面的薄厚度天线且能保证天线宽频带；本发明方案所设计的天线比现有天线都小得多。
本发明中，通过在反射单元内设计矩形反射环形成的闭合电感回路，从而使得反射单元能在天线工作时形成可与天线信号相互作用的衍生电磁波，一方面强化了天线的定向性能，另一方面也可使得反射单元与CPW馈电单元之间的间隔可采用更小距离，或是以更小的反射单元结构就能实现天线定向性能，从而减小定向天线的尺寸。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的第一介质基板的示意图；
附图2是本发明的第二介质基板的示意图；
附图3是本发明的剖切示意图；
附图4是本发明的反射系数仿真结果示意图；
附图5是本发明的圆极化轴比带宽仿真结果示意图；
附图6是本发明在XOZ面的辐射及方向示意图；
图中：11-第一介质基板；12-第二介质基板；13-空气层；21-第二矩形短枝节；22-第一矩形短枝节；23-第四矩形短枝节；24-第五矩形短枝节；25-第三矩形短枝节；31-第一L形枝节；32-第二L形枝节；41-矩形辐射体；42-CPW馈电缝隙；50-矩形反射贴片；51-矩形反射环；52-环形缝隙；53-矩形槽；101-导电矩形环；102-导电矩形环的缺口。
具体实施方式
如图1-6所示，一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，所述天线包括CPW馈电单元、接地单元、第一介质基板11、第二介质基板12、反射单元；所述第一、二介质基板平行设置；所述接地单元为覆于第一介质基板上表面的带缺口102的导电矩形环101，所述缺口位于导电矩形环下边的中部；导电矩形环内的介质基板表面设有CPW馈电单元，所述CPW馈电单元包括符合阻抗匹配标准的矩形辐射体41；矩形辐射体始端位于导电矩形环缺口102处且与信号线相连；矩形辐射体末端位于矩形环中部区域。
导电矩形环与环内的微扰枝节短接；所述微扰枝节包括矩形环第一矩形短枝节22、第二矩形短枝节21、第三矩形短枝节25、第四矩形短枝节23、第五矩形短枝节24、左下角的第一L形枝节31、矩形环右上角的第二L形枝节32；第一L形枝节31、第二L形枝节32的L形两边均与矩形环短接；第一矩形短枝节22与第二矩形短枝节21连接为位于第一L形枝节上方的第一凹字形组合体；第四矩形短枝节23与第五矩形短枝节24连接为位于第二L形枝节下方的第二凹字形组合体；第一、二凹字形组合体的底边分别与矩形环的两侧边相连；第三矩形短枝节25同时与矩形环上边和第二L形枝节32相连。
所述反射单元覆于第二介质基板下表面，反射单元包括矩形反射环51和环内的矩形反射贴片50；矩形反射环与矩形反射贴片间设有环形缝隙52；矩形反射环下边连有一垂直于反射环下边的矩形槽53。
所述矩形辐射体41与导电矩形环101缺口102间形成两条等长等宽的CPW馈电缝隙42。
第一介质基板11、第二介质基板12均以环氧树脂板成型。
所述信号线与同轴探针相连，信号线由同轴探针进行馈电。
第一介质基板11、第二介质基板12之间设有空气层13。
所述矩形反射环以导电材料成型，矩形反射环在反射单元内形成首尾闭合的电感线圈结构；当矩形辐射体发射天线信号时，其电磁辐射在矩形反射环内形成感应电流，所述感应电流产生衍生电磁波。
所述天线为定向天线，所述反射单元与CPW馈电单元之间的间隔针对天线工作波长优化，当矩形辐射体发射天线信号时，矩形反射环衍生电磁波在天线发射方向上与天线信号电波相位一致且形成同相叠加，矩形反射环衍生电磁波在天线发射的反方向上与天线信号电波相位相反且形成反相抵消。
所述反射单元以矩形反射环衍生电磁波强化CPW馈电单元天线信号的定向性，并使反射单元与CPW馈电单元之间的间隔可采用更小距离，或是使矩形反射贴片可采用更小尺寸的贴片。
实施例1：
调整天线微扰枝节中L形枝节31、32和矩形枝节21、22、23、24、25各参数值，可激发左旋圆极化波，实现天线的圆极化。
实施例2：
调整反射单元51、52、53、60各参数值，可实现并调整天线辐射定向性。
实施例3：
如图4-6所示，一种CPW馈电宽带圆极化定向天线的反射系数；一种CPW馈电宽带圆极化定向天线的圆极化轴比；一种CPW馈电宽带圆极化定向天线在XOZ平面的辐射方向图，后瓣小，实现定向辐射特性。
实施例4：
实施例3中的天线，其介质基板厚度为0.8mm，两层介质板间的空气层高2mm。

Claims (6)

1.一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：所述天线包括CPW馈电单元、接地单元、第一介质基板（11）、第二介质基板（12）、反射单元；所述第一、二介质基板平行设置；所述接地单元为覆于第一介质基板上表面的带缺口（102）的导电矩形环（101），所述缺口位于导电矩形环下边的中部；导电矩形环内的介质基板表面设有CPW馈电单元，所述CPW馈电单元包括符合阻抗匹配标准的矩形辐射体（41）；矩形辐射体始端位于导电矩形环缺口（102）处且与信号线相连；矩形辐射体末端位于矩形环中部区域；
导电矩形环与环内的微扰枝节短接；所述微扰枝节包括矩形环第一矩形短枝节（22）、第二矩形短枝节（21）、第三矩形短枝节（25）、第四矩形短枝节（23）、第五矩形短枝节（24）、左下角的第一L形枝节（31）、矩形环右上角的第二L形枝节（32）；第一L形枝节（31）、第二L形枝节（32）的L形两边均与矩形环短接；第一矩形短枝节（22）与第二矩形短枝节（21）连接为位于第一L形枝节上方的第一凹字形组合体；第四矩形短枝节（23）与第五矩形短枝节（24）连接为位于第二L形枝节下方的第二凹字形组合体；第一、二凹字形组合体的底边分别与矩形环的两侧边相连；第三矩形短枝节（25）同时与矩形环上边和第二L形枝节（32）相连；
所述反射单元覆于第二介质基板下表面，反射单元包括矩形反射环（51）和环内的矩形反射贴片（50）；矩形反射环与矩形反射贴片间设有环形缝隙（52）；矩形反射环下边连有一垂直于反射环下边的矩形槽（53）；
所述矩形辐射体（41）与导电矩形环（101）缺口（102）间形成两条等长等宽的CPW馈电缝隙（42）；
第一介质基板（11）、第二介质基板（12）之间设有空气层（13）。
2.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：第一介质基板（11）、第二介质基板（12）均以环氧树脂板成型。
3.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：所述信号线与同轴探针相连，信号线由同轴探针进行馈电。
4.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：所述矩形反射环以导电材料成型，矩形反射环在反射单元内形成首尾闭合的电感线圈结构；当矩形辐射体发射天线信号时，其电磁辐射在矩形反射环内形成感应电流，所述感应电流产生衍生电磁波。
5.根据权利要求4所述的一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：所述天线为定向天线，所述反射单元与CPW馈电单元之间的间隔针对天线工作波长优化，当矩形辐射体发射天线信号时，矩形反射环衍生电磁波在天线发射方向上与天线信号电波相位一致且形成同相叠加，矩形反射环衍生电磁波在天线发射的反方向上与天线信号电波相位相反且形成反相抵消。
6.根据权利要求5所述的一种应用于GNSS的低剖面宽带定向缝隙天线，其特征在于：所述反射单元以矩形反射环衍生电磁波强化CPW馈电单元天线信号的定向性，并使反射单元与CPW馈电单元之间的间隔可采用更小距离，或是使矩形反射贴片可采用更小尺寸的贴片。
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